科学者は細菌を、コロニーの成長を柔軟に制御できるカスタマイズされた構造を持つマイクロ3Dプリンターに変える

科学者は細菌を、コロニーの成長を柔軟に制御できるカスタマイズされた構造を持つマイクロ3Dプリンターに変える
出典: Qianzhan.com

アールト大学の研究チームは、バクテリアを利用して、ナノセルロースでできた精巧に設計された三次元物体を作成した。研究者たちは、この技術を利用して、強い疎水性、つまり超疎水性の表面を利用して細菌コロニーの成長を誘導することができた。これらの三次元物体は、組織の再生をサポートしたり、損傷した臓器を置き換えるための足場やインプラントとして機能したりするなど、医療用途に大きな可能性を示しています。研究結果はACS Nano誌に掲載された。
現在 3D 印刷方式で製造されている繊維製品とは異なり、この新しい技術では、直径が人間の髪の毛の 1,000 倍の細い繊維を、あらゆる方向に、さらには層を越えて、さまざまな厚さや地形勾配で整列させることができるため、組織再生への応用に新たな可能性が開かれます。これらの物理的特性は、筋肉や脳の特定の組織の成長と再生をサポートする材料として非常に重要です。

「ボトルの中に何十億もの小さな 3D プリンターが入っているようなものです」と、アールト大学の博士課程の学生、ルイス・グレカは説明します。「細菌は、与えられた構成要素を使い、適切な入力があれば複雑な形状や構造を作り出すことができる天然のマイクロロボットと考えることができます。」

水と栄養素(糖分、タンパク質、空気)にさらされる超疎水性カビの中に入ると、好気性細菌がナノセルロースを生成します。超疎水性表面は本質的に薄い空気の層を閉じ込め、細菌がカビの表面と形状を再現する繊維状のバイオフィルムを形成することを促します。時間が経つにつれてバイオフィルムは厚くなり、物体は強くなります。

この技術を使用して、研究チームは髪の毛の直径の10分の1から15〜20センチメートルまでの大きさの、事前に設計された特徴を持つ3Dオブジェクトを作成しました。ナノファイバーは人体の組織に接触しても有害な反応を引き起こしません。この方法は、外科医の訓練や体外試験の精度向上のために、現実的な臓器モデルを培養するのにも使用できる。

「私たちは加齢に伴う組織変性への応用を研究しており、このアプローチはこの分野だけでなく他の分野でも前進となる」と研究チームを率いたオーランド・ロハス教授は語った。同氏は、研究チームが使用した菌株「コマガタエイバクター・メデリネンシス」は、以前、ボリビア・ポンティフィカ大学(ボリビア)の協力者らがコロンビアのメデジンにある地元の市場で発見したものだと付け加えた。

自然界でも工学界でも、超疎水性表面は塵粒子や微生物の付着を最小限に抑えるように設計されています。この研究により、超疎水性表面を用いた天然素材の精密製造の新たな可能性が開かれると期待されます。
最終材料では細菌を除去したり残したりできるため、3D オブジェクトは時間の経過とともに生物へと進化することもできます。この発見は、細菌によって生成される物質を完全に制御するための重要な一歩となる。

「私たちの研究は、細菌が界面でどのように相互作用するか、そして細菌が持続可能な材料を作る能力について、詳細を理解する必要があることを本当に示しています。これらの結果が、細菌を寄せ付けない表面や細菌を使った材料を作る研究をしている科学者たちにも刺激を与えてくれることを願っています」と研究者は語った。


生物学、外科、医療、インプラント

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